Messtechnik – Ein Referenzgerät für Signal- und Spektrumanalyse

| Autor / Redakteur: Wolfgang Wendler * / Hendrik Härter

Verbesserte Ausstattung: Bei dem Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW lässt sich die Echtzeitbandbreite bis 800 MHz ausbauen. Der Anwender kann bis 512 MHz breite Echtzeitsignale über die I/Q-Schnittstelle streamen und aufzeichnen.
Verbesserte Ausstattung: Bei dem Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW lässt sich die Echtzeitbandbreite bis 800 MHz ausbauen. Der Anwender kann bis 512 MHz breite Echtzeitsignale über die I/Q-Schnittstelle streamen und aufzeichnen. (Bild: Rohde & Schwarz)

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Der Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW wurde in der aktuellen Version noch einmal in puncto Leistung und Funktionalität verbessert. Bedient wird das Gerät über ein kapazitives Touch-Display.

Die Serie R&S FSW des Herstellers Rohde & Schwarz gilt seit Jahren als Referenzgerät für Signal- und Spektrumanalysatoren. Sie kommen bei Tests drahtloser Kommunikationsgeräte für 5G und Wi-Fi, bei Radaranalysen im Automotive- oder A&D-Bereich oder bei Tests an Satellitensystemen zum Einsatz. Darüber hinaus charakterisieren die Messgeräte HF-Komponenten wie Leistungsverstärker. Jetzt hat der Hersteller seine Geräte-Familie überarbeitet: So warten die aktuellen Modelle des R&S FSW im Vergleich zum Vorgänger mit einem um bis zu 10 dB niedrigerem Phasenrauschen auf, was beispielsweise für die Fehlersuche bei der Modulation von 5G-Signalen im Mikrowellenbereich entscheidend ist.

Bei der Entwicklung und Charakterisierung frequenzagiler Radarsysteme und Kommunikationslösungen ist es wichtig, Signale lückenlos zu erfassen, extrem kurze Signale zu detektieren oder längere Sequenzen unterbrechungsfrei aufzuzeichnen. Hier hilft ein Echtzeitanalysator. Den brauchen auch Regulierungsbehörden, um ungewollte oder nicht lizenzierte Signale sicher aufzuspüren.

Aber auch bei einfacheren Anwendungen ist die Echtzeitanalyse ein hilfreiches Werkzeug. Sporadische oder kurzzeitige Ereignisse im Frequenzbereich, das spektrale Verhalten von Signalquellen bei Frequenzumschaltung oder auch die Beeinflussung von HF-Signalen durch Digitalschaltungen lassen sich mit sweependen Analysatoren nur mühsam und zeitaufwendig untersuchen. Konnte schon die bisherige Geräte-Version bis zu 512 MHz breite Spektren in Echtzeit analysieren, so bietet die aktuelle Gerätegeneration mit der Option R&S FSW-B800R nun bis zu 800 MHz breite Analysefenster an.

Sequenzen in hoher Qualität konservieren

Zum Realisieren verschiedener Auflösebandbreiten ist die FFT-Länge zwischen 32 und 16 384 einstellbar. Bis zu 0,46 μs kurze Signale werden mit einer Erfassungswahrscheinlichkeit (POI) von 100% pegelrichtig detektiert. Die neuen Analysatoren erfassen selbst Signale von wenigen Nanosekunden noch sicher, wenn auch nicht mehr pegelgenau. Mehr als zwei Millionen Spektren pro Sekunde gehen in die Auswertung ein. Weil das menschliche Auge aber höchstens 30 Bilder pro Sekunde verarbeiten kann, lassen sich mehrere gängige Darstellungsformen zur Informationsverdichtung wählen, etwa das Persistence-Spektrum (Nachleuchtmodus) und das Spektrogramm (Bild 1). Ein Frequenzmaskentrigger (FMT) wertet automatisch alle 2,34 Mio. Spektren pro Sekunde aus und reagiert auf anwenderdefinierte Ereignisse, auch wenn diese nur wenige Nanosekunden dauern.

Wer Echtzeitspektren über längere Zeit aufzeichnen will, etwa im Rahmen einer Feldmessung, um sie später auszuwerten oder über einen Signalgenerator Live-Like in ein Laborszenario einzuspeisen, kann die Messdaten bei installierter Option R&S FSW-B517 an einen I/Q-Rekorder wie den R&S IQW streamen. Bei Ausnutzung der vollen Streamingbandbreite von 512 MHz lassen sich über 40 Minuten lange Sequenzen in hoher Qualität konservieren, bei geringeren Bandbreiten noch deutlich längere.

Radar- oder Kommunikationssignale analysieren

Anspruchsvolle Radarapplikationen und die neuesten Kommunikationsstandards erfordern sehr große Analysebandbreiten, die aber nicht unbedingt im Echtzeitmodus zur Verfügung stehen müssen. So sind für die Analyse von 5G NR-Signalen bis zu 400 MHz Bandbreite nötig, für WLAN 802.11ad-Signale sogar 2 GHz. Will man Verstärker für 5G NR digital vorverzerren, um die Übertragungsqualität zu erhöhen, muss mindestens ein Nachbarkanal auf beiden Seiten mitgemessen werden, was schon 1,2 GHz Bandbreite bedeutet. Der R&S FSW bietet intern nicht nur bis zu Analysebandbreite von 2 GHz, um diese Anforderungen zu meistern, sondern auch die passende Applikationssoftware im Gerät, um automatisch die Modulationsqualität von 5G- oder WLAN-Signalen zu messen (Bild 2). WLAN 802.11ad-Signale erfasst das Modell R&S FSW67 im 60-GHz-Band ohne zusätzlichen Konverter.

Bandbreite ist durch nichts zu ersetzen, außer durch noch mehr Bandbreite. Die nächste Generation von Automotive-Radarsensoren wird mit 4 GHz breiten Chirp-Signalen arbeiten. Der neue WLAN-Standard 802.11ay setzt schon mindestens 5 GHz zur Analyse von zwei Kanälen voraus. Ähnliche Tendenzen sind im A&D-Bereich zu erkennen. Der R&S FSW mit der Option R&S FSW-B5000 zusammen mit dem Oszilloskop R&S RTO2064 bietet eine Analysebandbreite bis 5 GHz.

Bild 3: Messung der kurzen Chirpsignale eines 2 GHz ­breiten Radarsignals mit 5 GHz Messbandbreite. Bei dieser Messung waren vor allem die schnelleren rückläufigen Frequenz-Chirps interessant und ­wurden ausgewählt. Das Spektrogramm zeigt, dass keine ungewollten Nebenlinien außerhalb des Bands auftreten.
Bild 3: Messung der kurzen Chirpsignale eines 2 GHz ­breiten Radarsignals mit 5 GHz Messbandbreite. Bei dieser Messung waren vor allem die schnelleren rückläufigen Frequenz-Chirps interessant und ­wurden ausgewählt. Das Spektrogramm zeigt, dass keine ungewollten Nebenlinien außerhalb des Bands auftreten. (Bild: Rohde & Schwarz)

Der Frequenzgang der Kombination ist anders als bei anderen Lösungen vollständig entzerrt. Der Anwender muss sich nicht um die Kalibrierung kümmern. Ist die Option R&S FSW85 eingebaut, lassen sich die 4 GHz breiten Automotive-Radarsignale der nächsten Generation bei 79 GHz direkt erfassen und analysieren (Bild 3). Anders als die Modellbezeichnung suggeriert, reicht der Frequenzbereich des R&S FSW85 bis 90 GHz, wobei bis 85 GHz mit Vorselektion gemessen werden kann. Stehen andererseits Messungen bei Frequenzen unterhalb von 67 GHz auf dem Plan, hält das Gerät dafür einen zweiten HF-Eingang mit dem robusteren 1,85-mm-Anschluss an der Frontplatte bereit.

Analyse sehr reiner Signale und Quellen

Die Güte eines Signal- oder Spektrumanalysators wird im Wesentlichen durch das Phasenrauschen des internen Lokaloszillators bestimmt. Niedriges Phasenrauschen hilft bei der genauen Messung der Modulationsqualität und bei spektralen Messungen nah am Träger wie etwa bei der Messung der Nachbarkanalleistung von schmalbandigen Übertragungssystemen oder bei der Überprüfung spektraler Masken. Nicht zuletzt ist es unerlässlich, um Komponenten wie VCOs (Voltage Controlled Oscillators) oder Synthesizer zu charakterisieren. Die Phasenrauschperformance des R&S FSW wurde deshalb weiter verbessert.

Bild 4: Phasenrauschmessung an einem hochwertigen Oszillator bei 10 GHz mit der Messapplikation R&S FSW-K40. Unten sind die Messergebnisse für verschiedene Offsetfrequenzen eingeblendet.
Bild 4: Phasenrauschmessung an einem hochwertigen Oszillator bei 10 GHz mit der Messapplikation R&S FSW-K40. Unten sind die Messergebnisse für verschiedene Offsetfrequenzen eingeblendet. (Bild: Rohde & Schwarz)

Mit –140 dBc/Hz bei 10 kHz Offset und 1 GHz Eingangsfrequenz sowie –133 dBc/Hz bei 10 GHz stellt er derzeit alle Konkurrenten in den Schatten. Diese Performance lässt sich in Kombination mit der Option R&S FSW-K40 für Phasenrauschmessungen nutzen, für die bisher vollwertige Phasenrauschmessplätze notwendig waren (Bild 4). Mithilfe einer digitalen Phasenregelschleife (PLL) kann der R&S FSW im I/Q-Modus der Drift des Messobjekts folgen und so auch VCOs nah am Träger charakterisieren. Der Weg zu einem Geräte-Fernsteuerprogramm kann lang und steinig sein.

Der Anwender muss die SCPI-Befehle mühsam im Handbuch suchen und dann die Parametrisierung verstehen. Da hilft auch das auf dem Gerät verfügbare Onlinehandbuch wenig. Der R&S FSW bietet nun mit dem integrierten SCPI-Rekorder die Möglichkeit, Programme schnell und einfach zu erstellen. Der Anwender schaltet den Rekorder an und spielt seine Messsequenz manuell durch. Das Gerät übersetzt die Eingaben automatisch in eine Befehlsfolge unter Berücksichtigung der Parametrisierung (Bild 5). Bestimmte Ergebnisabfragen aus einer Tabelle werden hinzugefügt, indem man die Tabelle länger berührt und im anschließend gezeigten Menü entscheidet, welche Parameter genau übernommen werden sollen. Das fertige Scriptfile kann dann sogar nach C++, Matlab oder Python exportiert werden. Auch Synchronisierungssequenzen lassen sich automatisch einfügen. Selbst ungeübte Programmierer können dieses Programm zur Ansteuerung eines Signal- und Spektrumanalysators schnell und einfach konfigurieren.

Das Touchdisplay hat sich bei Messgeräten etabliert

Wichtiger noch als die einfache Programmerstellung ist der manuelle Bedienkomfort. Ein Touchdisplay hat sich bei Messgeräten etabliert, da sie komfortabler und effizienter sind: sowohl bei der Gerätekonfiguration als auch bei der Ergebnisdarstellung. Der Bildschirm des R&S FSW arbeitet kapazitiv. Ein Wechsel der Frequenz oder des Referenzpegels per Geste oder ein Hineinzoomen in eine Messkurve mit zwei Fingern erfolgen unmittelbar. Der Anwender entscheidet, ob auch kritische Einstellungen wie die Änderung der Eichleitung auf einen Wischbefehl hin möglich sein sollen oder nicht.

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* Dr. Wolfgang Wendler arbeitet im Produktmanagement bei Rohde & Schwarz in München.

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